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Terminale

Corrigés de BAC

Bac Physique-Chimie

Polynésie 1

Le cours traite de la synthèse d'un ester et de la détermination du rendement de cette synthèse. L'objectif est de déterminer les quantités de réactifs nécessaires et de montrer comment améliorer le rendement de la réaction.

Le cours commence par récapituler les étapes de la synthèse et les considérations expérimentales. Ensuite, le produit de la réaction est identifié à l'aide du spectre infrarouge. 

La partie principale du cours porte sur les questions de rendement. Il est expliqué comment calculer les quantités de réactifs nécessaires à partir des masses et des masses moléculaires. L'importance des conversions entre les masses et les masses moléculaires est soulignée. L'utilisation de l'analyse dimensionnelle est également mentionnée comme une méthode utile.

Le concept de proportions stoichiométriques est expliqué, et il est rappelé qu'il faut faire attention aux coefficients dans l'équation de la réaction. Un tableau d'avancement est ensuite complété pour représenter la progression de la réaction.

Les quantités de matière des différentes espèces à l'état final sont calculées en utilisant les données expérimentales. Le rendement de la synthèse est ensuite estimé à environ 67%.

Enfin, des suggestions pour améliorer le rendement de la synthèse sont données. Il est expliqué qu'il faut introduire un excès de réactifs et éliminer l'eau au fur et à mesure du processus de réaction. Le procédé de Dean-Stark est mentionné comme une méthode pour éliminer l'eau.

En conclusion, ce cours traite de la détermination du rendement d'une synthèse d'un ester, en expliquant les étapes nécessaires pour calculer les quantités de réactifs et en donnant des suggestions pour améliorer le rendement.

Salut à tous, c'est Leïla pour Studio. Aujourd'hui, on va continuer encore l'exercice sur la synthèse d'un estère qui est tombé au Pâques l'année dernière. Pour récapituler dans les précédentes parties, on a déjà identifié les différentes étapes de synthèse, on a justifié un peu le protocole et on est rentré dans les considérations expérimentales. On a ensuite identifié le produit de notre synthèse dans la partie 3 avec le spectre infrarouge et donc là on va s'intéresser aux questions de rendement. Ce que vous savez, ça ne suffit pas pour nous de savoir qu'on a fabriqué tel ou tel produit, il faut aussi savoir dans quelle quantité on l'a fait pour que ce soit intéressant pour nous. Donc là, ici, on vous donne les masses moellaires qu'il vous faut, on vous rappelle la réaction chimique qu'on a déjà vue beaucoup de fois et on vous dit, à l'aide des données présentes dans l'étape 1 du protocole de synthèse, de déterminer les quantités de matière de réactif, qu'on appelle Ni, alcool et Ni, acide, qui sont mis en présence. Donc pour ça, il faut utiliser les formules que vous connaissez pour passer des masses, des masses moellaires, etc. Où personnellement, je ne les connais pas tout à fait par cœur. Ce que je fais par contre qui est pas mal, c'est que je raisonne par analyse dimensionnelle pour voir si ça marche bien. Donc là, on n'a que la quantité initiale d'alcool, c'est la masse d'alcool sur la masse moellaire d'alcool. Du coup, une autre manière de l'écrire, c'est Ro-alcool, grand V-alcool sur grand M-alcool. Donc ça, avec les données qu'on a, ça va nous permettre de dire que la quantité initiale en alcool, elle est de 99 millimoles. Faites bien attention aux conversions entre les masses, les masses moellaires, etc. En général, c'est le gros piège quand vous avez des applications numériques. Il faut bien vérifier que tout colle bien. C'est la même chose que je vais utiliser pour l'acide. Donc ça va être ici M-acide sur grand M-acide et on est à 100 millimoles. On nous dit ensuite en déduire que ces réactifs ont été introduits dans des proportions stoichiométriques. Alors qu'est-ce que ça veut dire des proportions stoichiométriques ? Ça veut dire que, grosso modo, ils vont disparaître à la même vitesse en gros dans le tableau d'avancement. Vous avez ce type de réaction par exemple, et ce qu'on a devant ici qui vaut 1 partout, on a de la chance ici, c'est ce qu'on appelle le nombre stoichiométrique. Qu'est-ce que ça veut dire des proportions stoichiométriques ? Ça veut dire que la quantité sur le nombre stoichiométrique est la même. Là, je vois, j'ai mis les nombres stoichiométriques ici en bleu, donc la quantité initiale d'alcool, c'est à peu près avec les chiffres significatifs qu'il faut, la quantité initiale en acide, donc on dit que les réactifs sont introduits en proportions stoichiométriques. C'est ça que ça veut dire, c'est pas plus compliqué que ça. Il faut bien faire attention parce que parfois, comme vous avez l'habitude d'avoir des réactions simples où vous avez des nombres stoichiométriques qui valent 1 dans l'équation de la réaction, vous avez tendance à penser que quantité stoichiométrique, ça veut juste dire quantité égale. Faites attention, ce n'est pas toujours le cas. Parfois, vous allez avoir des coefficients 1, 2, 3, etc. Donc il faut bien regarder l'équation de la réaction pour ne pas se tromper. On vous dit ensuite de recopier sur votre copie et de compléter le tableau d'avancement. Le tableau d'avancement, c'est toujours la même chose qu'il faut savoir faire. Vous avez trois états, un état initial, un état intermédiaire, un état final. Alors parfois, on n'en met que deux parce qu'en fait, l'état final et l'état intermédiaire, ils se ressemblent beaucoup. Juste, il y en a un où on a estimé que c'était la fin et on a dit, mon X, mon avancement X, je vais l'appeler XF. Mais sinon, on retrouve exactement la même chose. Vous avez soit deux lignes, soit trois lignes, ça dépend des configurations. L'état initial, je regarde ce que je mets. Donc moi, ce que j'introduis, c'est de l'acide et de l'alcool. Le reste, au début, il n'y en a pas. À l'état intermédiaire, j'ai un avancement en mol qui est X, donc mon acide est en train d'être consommé, mon alcool est en train d'être consommé. Qu'est-ce que je mets ? Je mets moins X parce que le chiffre stoichiométrique ici, c'est 1. Même chose ici, le chiffre stoichiométrique, c'est 1. Et je forme, je suis en train de former à la fois de l'eau et à la fois notre estère, donc avec X ici. Pour l'état final, comme je viens de vous le dire, c'est exactement la même chose qu'on remplace X par XF, c'est toujours pareil, et donc ça marche exactement de la même manière. Donc voilà pour le tableau d'avancement. Ensuite, on nous dit déterminer les valeurs des quantités de matière de l'ensemble des espèces présentes à l'état final, qui sont notées N-acide-X, N-alcool-X et N-estère-X. Vous voyez qu'on a beaucoup de... on a des notations un peu lourdes ici, donc faites attention à ne pas vous tromper, parce que ça arrive qu'on puisse se tromper. Donc qu'est-ce que c'est la quantité d'estère à l'équilibre ? C'est celle qu'on vous dit qu'on a trouvée. On dit qu'on a trouvé une masse de 9,11 grammes, donc ça moi je l'ai appelé petit m exp, parce que c'est expérimentalement ce qu'on a, et donc pour connaître la quantité de matière, il faut que je divise par la masse moléaire, donc ça nous fait 67 millimoles. Je sais de par le tableau d'avancement ici, vous voyez, qu'il se forme autant d'eau que d'estère, donc je sais que la quantité d'eau a priori qui s'est formée, ça va être la même. 67 millimoles. Donc ça, je sais que ce n estère, on a dit que c'était également xf d'après le tableau d'avancement, donc à l'aide de ça, je vais pouvoir déterminer ce qui reste pour les réactifs, qui reste la même chose pour l'acide et pour l'alcool, grosso modo, donc n acide x et ni acide moins xf, donc on trouve 33 millimoles, et pour l'alcool on trouve 32 millimoles. Ensuite on en dit montrer que le rendement de la synthèse s'approche de 67%, qu'il faut montrer que grosso modo c'est 67%. Qu'est-ce que c'est le rendement, c'est combien est-ce que j'en ai obtenu, et combien je pourrais en obtenir au maximum du point de vue théorique. Ça c'est important, moi combien j'en ai obtenu, je viens de calculer, j'ai dit à xf je suis à 67 millimoles. Donc là ce qui n'est pas évident ici, c'est qu'on vous parle de la quantité maximale en gros théorique, on a besoin de ça pour déterminer ce qui se passe à la fin. Qu'est-ce que c'est la quantité maximale du point de vue théorique, c'est le xf max qu'on peut avoir. Là je regarde qu'est-ce que c'est le xf max que je peux avoir, c'est si jamais j'ai consommé tout mon acide ou tout mon alcool, là je vais avoir mon xf qui est maximisé, qui va être égal à ni acide ou ni alcool, et on a déterminé ensemble que ni acide ni alcool c'était 100 millimoles, et donc au max, dans un monde idéal où tout marche bien, la quantité d'ester théorique maximale que je peux avoir elle est de 100 millimoles. Et donc dans ces cas là je vois bien que mon rendement il va être de 67 sur 100, donc de 67%. Ensuite on demande une méthode qui permet d'améliorer le rendement de cette synthèse, donc 67% c'est pas mal, l'idéal évidemment c'est de monter à 100%. Donc pour ça il faut un peu regarder du côté du coefficient de la réaction, donc Ka si je me place à l'équilibre, c'est ça, c'est la quantité d'H2O fois la quantité d'ester divisé par acide carboxylique sur l'alcool qu'on a formé. Donc moi ce que j'aimerais faire au maximum, donc là j'interprète ça, j'isole en fait la quantité d'ester et je l'exprime en fonction de Ka et des quantités de matière de chacun des réactifs ou des produits. Pourquoi je fais ça ? Parce que je sais qu'en fait mon Ka il est constant, ça c'est une grandeur thermodynamique qui dépend de la température, et donc elles sont tabulées ces valeurs, on les connaît, on les connaît et on n'a pas d'action sur ça. Par contre on peut avoir d'action sur la composition du système final, donc c'est ça que j'essaye de vous dire ici. Donc ça, moi je veux le maximiser pour avoir le plus grand rendement possible, et donc pour maximiser ça, je peux augmenter ces deux-là, qui sont les quantités de réactifs, donc il faut que je mette des réactifs en excès, ou un des deux en excès, et j'aimerais bien diminuer la quantité d'eau, parce que ça elle perturbe mon équilibre, parce que quand je forme de l'eau, ça veut dire que je vais former moins de nC8H8O2, donc ce que je veux avoir comme produit. Donc je veux éliminer l'eau, et je veux augmenter les réactifs. Pour ça, je peux introduire un ou deux réactifs en excès, et pour éliminer l'eau, il y a un processus que vous avez déjà vu qui s'appelle le Dean-Stark, qui est utile pour éliminer l'eau au fur et à mesure du milieu réactionnel. Donc ça, ce serait super utile, parce que ça nous permettrait d'augmenter le numérateur, baisser le dénominateur, excusez-moi, et donc augmenter, en fait, maximiser cette quantité-là, qui est la quantité qu'on souhaite maximiser pour synthétiser un maximum d'ester. J'espère que cette vidéo vous aura été utile, n'hésitez pas à poser vos questions en commentaire, et on se retrouve pour la partie finale, qui est la partie 5 de cet exercice.

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